无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器(20-100公里空域),如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是“空中机器人”。
     按照不同平台构型来分类,无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台,其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台,最大特点是飞行速度较快;无人直升机是灵活性Strongest的无人机平台,可以原地垂直起飞和悬停;多旋翼(多轴)无人机是消费级和部分民用用途的Be the first choice平台,灵活性介于固定翼和直升机中间(起降需要推力),但操纵简单、成本较低。
      按不同使用领域来划分,无人机可分为军用、民用和消费级三大类,对于无人机的性能要求各有偏重:
      1)军用无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等有着更高的要求,是技术水平Highest的无人机,包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等机型;
      2)民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低,但对于人员操作培训、综合成本有较高的要求,因此需要形成成熟的产业链提供尽可能低廉的零部件和支持服务,目前来看民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供,如for police use、消防、气象等,占到总需求的约70%,而我们认为未来无人机潜力最大的市场可能就在民用,新增市场需求可能出现在农业植保、货物速度、空中无线网络、数据获取等领域;
      3)消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台,用于航拍、游戏等休闲用途。
无人机频频失事美军虽然是当今世界使用无人机最多的troops,已记录的飞行时间远超400万飞行小时,但美国国防部对于无人机使用的详情却一直三缄其口。随着伊拉克、阿富汗战争的爆发,美军无人机坠毁事故频频发生。在《华盛顿邮报》长达一年的调查中,一个触目惊心的数字浮出水面:自2001年9月至2013年底,世界各地的美军无人机共发生418起重大坠毁事故,几乎相当于美空军同一时期战机发生的重大事故数量。然而,与美空军相比,无人机的飞行任务及飞行时间却少得多。
  根据对无人机或其他财产造成的损失程度,Military将无人机重大事故分为两类。在418起无人机重大事故中,194起属于A类事故。A类事故定义为:造成无人机彻底摧毁,或根据现行标准,至少造成200万美元损失。其中,A类事故一半以上发生在阿富汗和伊拉克,约四分之一发生在本土。这其中又有18起A类事故由于敏感程度高,Military将坠毁国的名称、事故过程等列为军事机密,一直未向外公开。224起属于B类事故。B类事故定义为:根据现行标准,造成损失介于50万至200万美元间。美国一直隐瞒这些事故的基本细节,如日期和地点等,理由是造成的损失较小,不值得大张旗鼓调查。
  其实,无人机坠毁的重大事故远远不止418起,因为Military文件并不包括中情局暗中操作的无人机信息。中情局在海外拥有自己独立的无人机机队,包括约30架察打一体的“捕食者”、“收割者”无人机,以及非常先进的RQ-170“哨兵”无人侦察机,2011年12月被伊朗缴获的那架RQ-170就隶属中情局。
  美军无人机坠毁地点也遍布各地,老百姓家中、农场、机场跑道、公路、水上等等。尽管在这几百起重大事故中,并没有人员死亡的报告,但其实很多人都是侥幸死里逃生,有人离坠落地点只有几米远,有人在飞机坠落的几秒钟前离开。2008年11月,无人机操作员理查德·瓦格曼在事故后接受调查时,心有余悸地称,“放眼望去,看见的全是帐篷,我担心杀了人。整个人都麻木了!”当时,他负责操作的一架“捕食者”突然失控,直直坠落在阿富汗一美军基地。2009年9月,一架“收割者”失控后,在阿富汗上空漫无边际地乱飞。在其快要接近塔吉克斯坦边境时,美军被迫采取最后手段,出动战机将其击落。2011年8月20日,一架在高空飞行的“捕食者”突然急速下坠,结果撞毁了两幢阿富汗民房,并引起大火。报告称,在阿富汗东部,挂载了“地狱火”Missile的“捕食者”在6个月内,曾两次撞向贾拉拉巴德市附近的居民区。
  美国政府一直宣称,无人机可在居民区上空安全飞行,就像客机一样安全。面对频频坠落的无人机,这一观点显然站不住脚了。

事故原因五花八门

  造成无人机事故的原因多种多样,机械故障、人为错误、恶劣天气等不一而足。《华盛顿邮报》的事故报告分析认为,除去自然因素,无人机高事故率缘于Military和无人机制造商在无人机操作和设计中存在的先天不足。
  首先是,无人机发现和避免故障的能力有限。尽管无人机都安装有摄像头和高科技传感器,但这些仪器永远无法完全取代坐在驾驶舱内的飞行员的眼睛、耳朵和鼻子。而且,大多数无人机没有配备雷达或为了防止空中灾难而设计的防撞击系统。
  其次,无人机本身存在机械缺陷。一些常见的无人机机型,设计之初就缺乏安全方面的考虑,没有经过反复测试,就匆匆派上战场。坠毁的无人机最常见的是通用原子航空系统公司研制的“捕食者”,美空军共采购了269架。其中,40%已在A类事故中坠毁,另有8%在B类事故中毁坏。这种机型特点是重量轻,价格低廉,每架不到400万美元。“捕食者”没有设计各种备用系统,只有一个引擎、一台交流发电机、一个推进器,如果其中任何一部分发生故障,飞机都会掉下来。
  当然,通用原子航空系统公司并不这么认为。他们认为飞机的可靠性和安全性超出了预期,涉及“捕食者”的坠毁事故没有一次是致命性的,也没有造成人员死亡,进而他们将大多数事故归咎于操作员着陆时操作失误,称公司已对飞机进行了安全升级,但增配引擎或动力系统是不切实际的,因为这需要对飞机进行大范围的改装。针对无人机发生故障,备份系统就会自动启动这种说法,公司也予以否认。
影响无人机可靠性的环境因素和外部因素
      尽管人们习惯性地将可靠性问题归因于系统内部因素(比如:零部件的可靠性),但外部因素对无人机的可靠性也产生相当大的影响。这些环境和外部因素往往是影响整个系统的可靠性,恶化系统中的任何一个零部件。而且,不管系统的使用年限长否,这些因素自始至终地影响着装备系统。这些外部因素因地域或季节的不同而不同,比如与气候有关的因素等。但是,如果严格按照系统的使用规范进行操作,可以大大减轻这些因素对可靠性的影响。
      1、降雨起有人驾驶飞机来,多数无人机较易受降雨的影响。这主要有三个原因        (1)多数无人机尺寸相对较小
(2)它们多利用木制螺旋桨
(3)较少注意防水密封。
     由于无人机尺寸相对较小,所以它们更易受到降雨的不利影响。对 F-16 飞机造成轻微影响的降雨,对“先锋”无人机可能就是中等程度的降雨。目前对无人机遭遇降雨还没有很好的解决措施,只是遇到这种天气情况时,避免起飞或着陆,或者降低飞行速度,以减少降雨的不利影响。
      尺寸较小的无人机多采用木制螺旋桨,以降低成本和减轻重量。“先锋”无人机尽管采用推进式发动机,但其螺旋桨几乎每次飞行都要更换。降雨尤其对木制螺旋桨造成危害,因为雨水能很快(几分钟内)侵蚀桨叶前缘,恶化转子的气动性能。解决此问题的措施是
(1)采用复合材料螺旋桨
(2)采用金属材料螺旋桨
(3)木制螺旋桨,但桨叶前缘采用复合材料或金属材料。
选用复合材料螺旋桨成本较高,但重量较轻且坚固耐用。采用金属材料螺旋桨成本较高,重量较重,但持久耐用,尤其适用于替换易损坏的木制桨叶。“先锋”无人机的木制螺旋桨成本为 275 美元,其复合材料螺旋桨为 600 美元,金属制螺旋桨则为750 美元,是木制的三倍。尽管它们成本不同,但作为无人机飞行关键元件来说,都是可以接受的。
无人机与有人机不同,机身上设计了大量的舱口盖以利于维修人员进入机体内维修。而且尺寸较小的无人机飞行速度较低,这也就意味着设计人员不太注重机身的空气动力特性。由于以上两个原因,导致无人机舱口盖密封效果不佳。遭遇降雨时,雨水可能会进入机体,对其内部电子设备造成危害。解决措施是除使用密封圈外,还要提高设计精度。
     2、结冰另一个影响可靠性的环境因素就是结冰,这种危害即使在晴好天气也可能发生。机翼结冰对飞机飞行危害最大。一旦在机翼上形成结冰,随后便会在控制面上结冰。积冰破坏了机翼流线外形,对飞机操纵性产生不利影响。当较大的积冰脱落时,会对螺旋桨造成危害。积冰达到一定限度,就会超过飞行控制系统的调控极限,从而破坏控制面铰链的运动,极大地影响机翼外形和无人机操纵性。致使无人机进入失速状态,直至坠毁。结冰除改变无人机空气动力特性造成危害外,积冰的重量也能成为危害因素,特别是在小型无人机上,更是如此。比如,在“先锋”无人机上 0.1 英寸的积冰造成的影响与波音 747 上 1 英寸积冰造成的危害相当。
      在过去的 3 年里,由于结冰事故导致损失了 2 架“猎人”和 3 架“捕食者”无人机,经济损失达千万美元。这些事故都发生在 9 月到 4 月之间。这提醒人们尤其要注意无人机在寒冷天气的操作,包括无人机的试验与评价、无人机操作人员在寒冷天气中的培训。
 3、风相比较有人机,风在总体上对无人机、尤其是小型无人机造成的影响也较大。这主要是由于它们的设计(比如操纵面面积、作动器响应频率、飞行速度等)造成对环境(比如阵风、翼载等)响应不够理想。这些影响因素中,一部分是小型无人机无法克服的,另一部分是设计者没有将可靠性设计到系统中去。
      高的风速不但影响无人机的起飞和着陆,而且在飞行过程中易形成紊流。多数无人机,比起有人机来尺寸较小,飞行速度较低,更易受到紊流的影响。尺寸越小,受干扰程度就越大。对有人机影响轻微的天气紊流,对无人机来说,甚至包括“捕食者”这样的战术无人机,就有可能造成视频不稳、飞行不稳定、数据链丢失、失去控制等事故。对于无人机视频不稳,可以考虑安装稳定的成像传感装置。而对于不稳定飞行,则通过采用变距螺旋桨来解决。由于紊流造成的数据链丢失,则应用全向天线替代定向天线。利用回收降落伞系统可以减少由于失去控制所造成的无人机坠机事故。
      4、雷诺数注:雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。为纪念O.雷诺而命名,记作Re。雷诺数,又称雷诺准数,是用以判别粘性流体流动状态的一个无因次数群。
1883年英国人雷诺(O.Reynolds)观察了流体在圆管内的流动,首先指出,流体的流动形态除了与流速(ω)有关外,还与管径(d)、流体的粘度(μ)、流体的密度(ρ)这3个因素有关。
Re=ρvL/μ,ρ、μ为流体密度和动力粘性系数,v、L为流场的特征速度和特征长度。雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。对外流问题,v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径);内流问题则取通道内平均流速和通道直径。两个几何相似流场的雷诺数相等,则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数较小时,粘滞力对流场的影响大于惯性,流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性对流场的影响大于粘滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。
     无人机越小,其操纵面就相对较大,因为在不利坏境下要加强它们的操纵性。由于操纵面的操控要求随雷诺数的不同而不同,所以,雷诺数是另一个值得考虑的外部因素。通过研究显示,对于小型无人机,但却在传统上属于大型飞机的飞行剖面(飞行高度或飞行速度)中飞行,那么它的可靠性较低。研究表明,系统工程技术和零部件的可靠性是造成无人机故障的主要因素,而与雷诺数相关的故障处于第二位。
      目前对无人机低雷诺数飞行状态开展的研究不多。正如无人机有许多类别一样,它们飞行时的飞行环境也各不相同。因此,必须对雷诺数的影响有更好的理解以便更深入地把握下列问题:
(1)稳定和非稳定流的影响;
(2)三维层流/湍流的转换;
(3)在包括无人机飞行剖面范围内的雷诺数和马赫数下的理想的翼型和机翼几何尺寸。加大对低雷诺数发动机部件的投入也十分关键。低速或高空无人机的涡轮机面对的飞行环境不同于现代推进器传统上所准备的环境。排热、涡轮和压缩机叶尖损失以及低动压只是在这种低雷诺数条件下使小型推进系统性能降级的少数几个因素。
无人机的可靠性设计
      无人机开发商,一般比较注重产品寿命周期的采办阶段。实际上,对于无人机的可靠性,应贯穿于其寿命周期的各个阶段。从确定无人机的需求开始,经过概念设计、初步设计和详细设计阶段,一直到无人机的使用和退役,都与可靠性密切相关。大量的实践说明,一个可靠的无人机系统不但要注重其系统性能,而且在概念设计阶段就要注意可靠性、维修性的设计。
      如果在无人机设计阶段,以牺牲其可靠性为代价,片面追求性能要求,就会导致无人机在外场使用中的许多问题,如任务成功率低、维修资源利用率高等。尽管一些方法(如失效模式与影响分析、概率风险评估、质量功能展开等)可用来解决这些问题,但如果在无人机寿命周期的早期运用这些工具,效果会更好。从飞行控制软件的开发上可清楚地印证这一点。在寿命周期内,软件错误出现的越早,纠正措施所需的代价就越低。
      为在控制成本的同时达到提高可靠性目的,以下原则在设计所有无人机子系统时必须予以考虑:
l 运用系统工程与设计实践标准进行设计 l 设计力求简单 l 加强预先诊断能力设计
l 确保材料和零件的可互换性 l 考虑人为因素(在制造、操作和维护中)对无人机的敏感性
l 基于故障模式与影响分析,运用冗余设计和故障安全保护设计手段
l 可生产性设计  l 优先使用已得到验证的材料和零件   l 对材料和零件质量的维持和控制
      在无人机可靠性设计中,零部件的质量必须保证。对于一些复杂的零部件,开发商必须调查更多的因素和后勤问题,比如:零部件制造商的声誉、零部件在其它领域的使用及性能状况等。有时即使是个别零件的可靠性符合要求,但整个系统的可靠性却达不到要求。
     可靠性的设计也必须考虑子系统和零部件的冗余问题。这对于飞行关键系统、可靠性低的零件更是如此。当然,这有可能增加产品成本,但是成本利益分析显示,它可以减轻风险。如果现有的货架产品技术达不到客户要求,开发商就要寻求用于可行解决方案的新的零件技术。
      零件质量
      平均失效间隔时间(MTBF)是描述可靠性的一个重要参数。这是由于系统、子系统的MTBF 以及单个零件的 MTBF 对整个无人机的可靠性有着巨大的影响。这种影响可通过下图看出,它反映了不同 MTBF 值的可靠性状况。可靠性也是任务持续时间的函数,任务持续时间越长,可靠性就越低。MTBF 提高,就意味着失效率减小。下图表示了失效率与任务持续时间的关系。
    在一个具体的子系统内,元件一般集成使用。一个元件的失效会诱发整个系列的失效。因此元件的可靠性会影响到子系统的可靠性,进而影响无人机系统可靠性。下表表示了元件可靠性与系统可靠性的关系。可靠性的数值大小用“9”的个数表示。例如,一个系统可靠性为 99.99%,就是说可靠性为 4 个 9。
     如果一个零部件具有 99.999%的可靠性,一个子系统由 100 个此种零件组成,那么此系统的可靠性只有 99.9%。因此,有时即使是个别零件的可靠性符合要求,但整个系统的可靠性却达不到要求。
  如果零部件可靠性不够充分,则一般会采用冗余设计方法来提高整个系统的可靠性,但以增加系统复杂性、重量、体积、动力消耗和成本为代价。冗余方法在提高任务可靠性的同时,也会对后勤可靠性带来不利影响。这是由于该方法要求有更多的备件储备。冗余分工作冗余和备用冗余两种。工作冗余是指所有冗余同时处于工作状态;而备用冗余是指原来工作的冗余发生故障后,替代冗余才开始工作的情况。比如电传操纵飞机的多余度飞行控制系统就是典型的工作冗余。下图表示了冗余与失效率的关系。
      对于一个具体的系统,其 MTBF 在设计上虽然固定不变,但采用冗余方法后,失效率将发生变化。例如,对于一个无人机飞行控制系统,设计的 MTBF 为 50 小时,研发机构指定平均的任务持续时间为 11 小时,也就是说,每执行 5 个任务就会出现失效。如果采用双余度设计,失效率降为 1/20。如果采用三余度设计,例 MQ-9 的飞行控制系统,失效率将大大降低,低于 1%。
 新技术 如果现有零件质量和冗余方法不能满足系统任务可靠性问题,设计人员必须寻求新的零件技术来解决可靠性问题。例如:
l 形状记忆合金的使用将较少或取消伺服和激励装置。
l 生物高分子材料将带来抗疲劳、重量轻和强度高的机体结构。
l 自行修补复合材料将减少飞机在执行任务中出现的材料结构问题。
无人机常用的六大可靠性测试01. 高 低 温 湿 热 测 试  
     由于无人器作业的环境条件往往多变且复杂,而且每一款机器对于内部功耗发热的控制能力有所区别,最终导致飞行器自身的硬件对于温度的适应能有所不同,所以为了满足更多或者特定条件下的作业需求,高低温条件下的飞行测试是必须的。不能说,飞行器在南方飞没有问题,但是带到北方竟无法起飞,又或是无人机在温度高或者温度低的条件下储存,飞行器竟出现了未知的故障等等,对于普通消费者来说,这样的结果都是无法接受的。
02.跌 落 测 试  跌落测试是目前绝大多数产品都需要做的一项常规测试,一方面是为了检验无人机产品的包装是否能很好地保护好产品本身以确保运输安全;另一方面其实就是飞行器的硬件可靠性,毕竟飞行器像常用的智能手机一样,无法避免地会出现一些小磕小碰,或者甚至出现意外摔机的情况,良好且牢靠的硬件性能可以大大提升飞行器对于外界的抵御能力,将机器损坏降到最低,减少维护的时间和成本。
03.GPS 搜 星 测 试  
      对于一款无人机飞行器来说, GPS模块是一个非常基本的硬件需求,属于飞行器控制系统的重要传感器单元之一。不仅可以提供位置坐标及飞行速度等数据信息,同时,在功能上可以辅助实现精准悬停,航线规划和自动返航等等众多智能功能。所以,飞行器搜星的速度和数量对于无人机来说是非常重要的,速度太慢,你可能需要等很长的时间才敢起飞,星数太少或者不稳定,在飞行的过程中丢星其实也会影响到飞行操控和安全。
04.振 动 测 试 无人机内部有很多的传感器,比如IMU惯性测量单元,这些感知的数据如果因为振动受影响,最终的结果就是飞行器可能会“疯”掉,完全不受控制;其次,内部硬件结构复杂,机身的一体化强度要求较高,如果振动导致硬件连接异常,螺丝或者模块松懈等等,其实都是不能容忍的。同时,飞行器自身的振动会影响到飞行的稳定和航拍的效果。要知道,如果你经常外出,路上会受车辆颠簸振动的影响,起飞和降落不流畅或者经常磕磕碰碰也会受到振动的影响,所以飞行器对于振动的抵御能力不可忽略。
05.按 键 测 试   无人机的遥控器上有控制摇杆和很多的功能按键,机身上也有对频键,电池扣等等,这些按键随着长期地频繁使用都会出现老化和磨损,按键测试其实就是在最大使用强度下,测试这些按键是否能持续正常工作,抗老化的能力有多强,毕竟按键坏了,飞行控制和功能使用都会受到影响,客户体验不佳。
06.线 路 弯 折 测试 随着无人机一体化的发展,很多的连线都被商场绞尽脑汁尽可能地设计减少了,但还是会不可避免地有一些模块之间的连线,而这些线路会出现长期的弯折,所以必要的弯折测试以检测模块之间的连接可靠性非常重要,比如云台一般在机身的下方,云台的FPC排线一般肉眼可以看到,如果该排线损坏云台将与机身断连,无法工作;还有,一旦这些排线破损或者短路,也不能影响到无人机其它模块的正常运作。